CN116731426A - 一种熔喷聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔喷聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，涉及高分子材料技术领域。本发明提供了一种熔喷聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯熔喷料80‑93份、脂肪族聚酰胺3‑12份、磷酸锆1‑5份、驻极母粒3‑5份。本发明在聚丙烯熔喷料中引入脂肪族聚酰胺和磷酸锆，通过脂肪族聚酰胺中氢键的作用提高材料的结晶能力，从而提高材料的静电驻极性能。磷酸锆具有层状结构的，在体系中能吸收受阻胺发生氧化还原反应产生的硝酰基自由基，从而减缓硝酰基自由基与酚类抗氧剂的反应，有效减弱材料的红黄变。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其是一种熔喷聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，常规的聚丙烯熔喷料往往含有酚类抗氧剂，以提高聚丙烯材料的老化性能。而受阻胺类驻极剂(HALS)作为驻极体，与聚丙烯熔喷料一起使用，可显著提高纤维的过滤性能。现有水驻极技术是通过在聚丙烯熔喷料中添加受阻胺类驻极剂(HALS)，然后经超纯水高速摩擦驻极，使纤维深度驻极。该技术相比于常规的电晕驻极技术(简称电驻极)，具有更高的过滤效率和更低的阻力。但是受阻胺类驻极剂在聚合物加工过程中，在热氧条件下，会与氢过氧化物发生氧化还原循环，中间产物之一是稳定的硝酰基自由基。有证据表明，这些自由基可以将酚类抗氧化剂氧化为二苯乙烯醌，从而导致材料出现红黄变。
产生红黄变的熔喷材料，严重影响产品外观，材料的耐老化、耐电荷衰减性能逐渐变差，产品的寿命大大减少等，以上缺点限制了在空气过滤领域的应用。因此，亟需开发一种具有高效低阻、抗电荷衰减、抗红黄变的高性能熔喷材料。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种熔喷聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种熔喷聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯熔喷料80-93份、脂肪族聚酰胺3-12份、磷酸锆1-5份、驻极母粒3-5份。
发明人发现，在聚丙烯熔喷料中引入脂肪族聚酰胺和磷酸锆，通过脂肪族聚酰胺中氢键的作用提高材料的结晶能力，使得有更多的电荷聚集在结晶区和非晶区的界面处，从而提高材料的过滤性能和强度。磷酸锆一方面具有层状结构，在体系中能吸收受阻胺发生氧化还原反应产生的硝酰基自由基，从而有效减弱材料的红黄变。另一方面，磷酸锆具有较大的比表面积，有助于形成更多储存电荷的“陷阱”，被储存在“陷阱”的电荷在氢键的作用，迁移少、逃逸少，从而显著提高材料的抗电荷衰减性能。
优选地，所述脂肪族聚酰胺的重量份可选自3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份；所述磷酸锆可选自1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份。
优选地，所述聚丙烯熔喷料的熔融指数为1200-1500g/10min，所述聚丙烯熔喷料的熔融指数是根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在190℃的温度测量。
优选地，所述的熔喷聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯熔喷料85-89份、脂肪族聚酰胺5-8份、磷酸锆3-4份、驻极母粒3-5份。
发明人发现，聚丙烯熔喷料、脂肪族聚酰胺、磷酸锆采用上述重量份选择时，制备得到的熔喷聚丙烯复合材料，在形成熔喷非织造材料后，抗电荷衰减、抗红黄变的效果更佳，具有更高的强度。
优选地，所述的熔喷聚丙烯复合材料，所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为n，n为偶数且n≠0。
本发明所述的脂肪族聚酰胺，分子链由亚甲基和酰胺基组成，分子链为-C-N-链组成的线性结构。为p型聚酰胺或mp型聚酰胺中的一种或多种。其中，p型聚酰胺，酰胺基沿分子链分布，在每两个聚酰胺基之间含有p-1个连续的亚甲基。mp型聚酰胺，在两个亚氨基之间含有m个连续的亚甲基，两个羧基之间含有p-2个亚甲基。本发明所述的p型或mp型聚酰胺，其单体所含的碳原子数不同，分子链间形成的氢键比例数及氢键沿分子链分布的疏密程度不同，这些氢键的比例越大，材料的结晶能力越强，强度越大。结晶所形成的界面越多，在制备成纤维驻极材料时，界面上能形成更多储存电荷的“陷阱”，使得纤维材料的电荷密度增强，静电效应更好，表现为材料具有更高的过滤效率和抗电荷衰减性能。本发明优选单体全部含有偶数个亚甲基的聚酰胺，该类聚酰胺分子链上的酰胺基都可以100％形成氢键。而单体中全部或者其中一种单体含有奇数个亚甲基，聚酰胺分子链上的酰胺基只能50％形成氢键。
发明人发现，当脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为n，n为偶数且n≠0时，制备得到的熔喷聚丙烯复合材料，在形成熔喷非织造材料后，抗电荷衰减、抗红黄变的效果更佳，具有更高的强度。
优选地，所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为10-18。进一步优选地，所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为10-16。最优选地，所述脂肪族聚酰胺为PA11、PA612中的至少一种。
发明人发现，当所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为10-16时，制备得到的熔喷聚丙烯复合材料，在形成熔喷非织造材料后，抗电荷衰减、抗红黄变的效果更佳。
此外，本发明提供了所述的熔喷聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比称量各种组分；
(2)将步骤(1)中的各个组分混合，得到混合物A；
(3)将步骤(2)中得到的混合物A输送到螺杆挤出机中，进行挤出造粒，得到所述熔喷聚丙烯复合材料。
进一步地，本发明提供了所述的熔喷聚丙烯复合材料在空气过滤领域中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：(1)在聚丙烯熔喷料中引入脂肪族聚酰胺和磷酸锆，通过脂肪族聚酰胺中氢键的作用提高材料的结晶能力，从而提高纤维材料的静电驻极性能；(2)磷酸锆具有较大的比表面积，一方面有助于形成更多储存电荷的“陷阱”，被储存在“陷阱”中的电荷在氢键的作用，迁移少、逃逸少，从而显著提高材料的抗电荷衰减性能；(3)磷酸锆在体系中能吸收受阻胺发生氧化还原反应产生的硝酰基自由基，从而减缓硝酰基自由基与酚类抗氧剂的反应，最终有效减弱材料的红黄变。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
现对实施例及对比例所用原料做如下说明，但不限于这些材料：
聚丙烯熔喷料1：PP-91500NC001，金发科技，190℃/2.16kg下的熔体质量流动速率1500g/10min；
聚丙烯熔喷料2：Metocene MF650Y，巴塞尔，190℃/2.16kg条件下，熔体质量流动速率1200g/10min；
驻极母粒1：YBL-EW032 NC001，金发科技；所述驻极母粒包含聚丙烯熔喷料、受阻胺、硬脂酸盐、抗氧剂等成分；
驻极母粒2：RCE20，盐城瑞泽色母粒有限公司；
脂肪族聚酰胺1：PA11，BMNO P20，法国阿科玛，亚甲基单体的个数为10；
脂肪族聚酰胺2：PA612，151L NC010，美国杜邦，两个亚氨基之间含有6个连续的亚甲基，两个羧基之间含有10个亚甲基；
脂肪族聚酰胺3：PA1010，200NN，法国阿科玛，两个亚氨基之间含有10个连续的亚甲基，两个羧基之间含有8个亚甲基；
脂肪族聚酰胺4：PA6，B3EG6–NC，巴斯夫，亚甲基单体的个数为5；
脂肪族聚酰胺5：PA12，L20G，瑞士EMS，亚甲基单体的个数为11；
磷酸锆1：湖北魏氏化学试剂，针状磷酸锆；
磷酸锆2：上海润河纳米科技，层状磷酸锆；
磷酸锆3：晋大纳米科技，立方体磷酸锆；
蒙脱土：XFI44，南京先丰纳米科技有限公司，纯度大于98％；
实施例及对比例
本发明实施例及对比例的熔喷聚丙烯复合材料组分及重量份的选择如表1、表2所示，实施例及对比例的熔喷聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称量各种组分；
(2)将步骤(1)中的各个组分混合均匀，得到混合物A；
(3)将步骤(2)中得到的混合物A输送到双螺杆挤出机中，进行挤出造粒，得到所述熔喷聚丙烯复合材料；其中，双螺杆挤出温度180-200-210-220-220-220-220-210℃，模头220-230℃。
表1
表2
性能测试
将本发明实施例及对比例制备得到的熔喷聚丙烯复合材料采用常规方法制备得到熔喷非织造材料，本发明测试时制备熔喷非织造材料采用的方法如下：
S1：将熔喷聚丙烯复合材料通过计量秤均匀地计量喂入单螺杆挤出机中；单螺杆挤出造粒的各温区的温度为160-180-220-240-240-240℃，换网器和计量泵的温度为230-240℃，换网器的滤网目数为30+500+300+80目；熔体管道温度245-245-245℃；
S2：纺丝细化；经塑化、均化后，进入纺丝组件。纺丝组件是由模头和喷丝板组成，模头温度设置260℃，并根据各区克重进行微调；
S3：收集成网；经热气流牵伸后的纤维，喷射到网帘或者滚筒金属网上而成纤网；
S4：高速摩擦驻极；利用超纯水与纤维高速摩擦，然后烘干；
S5：分切、收卷。
1、静电驻极性能测试；通过测试相同克重下，阻力相当的熔喷布的过滤效率PFE来评估。测试条件为TSI 8130A，流量32L/min，气溶胶类型NaCl，0.3um，测试面积100cm2，熔喷布克重25gsm。(默认阻力偏差±1.0pa为阻力相当，过滤性能PFE偏差±0.2％为效率相当。)
2、老化性能测试；按照以下步骤进行材料的老化处理，来评估PFE衰减幅度和抗红黄变性能。
(1)在(38±2.5)℃和(85±5)％相对湿度环境下放置(24±1)h；
(2)在(80±3)℃干燥环境下放置20天；
(3)在(-30±3)℃环境下放置(24±1)h。
(4)样品在室温下放置4h后，再开始测试。
3、红黄变色性能测试：将4层熔喷布重叠一起，利用色差仪，测试LAB值，对比老化前后A、B值及总色差ΔE的变化。(经试验发现，当Δa≤0.5，Δb≤1.5整体变色肉眼可接受，超过这个值，认为明显变色。)性能测试数据如表3和表4所示。
表3实施例测试项目及数据
表4对比例测试项目及数据
由实施例1-4与对比例3-7发现，同时添加磷酸锆和脂肪族聚酰胺后，二者产生了协同作用，在阻力相当下，纤维的驻极效果更好，老化后PFE的保留率更高。
由实施例1-4与对比例1-2可知，随着磷酸锆与聚酰胺含量增加，性能先增后减，这可能是因为，磷酸锆与聚酰胺用量过多时PA和磷酸锆因较强的分子间作用力，纤维牵伸更困难，导致相同工艺条件下纤维直径更粗，这就导致过滤效果稍差，数据上表现出阻力相当时，PFE低，同时抗红黄变效果差，主要是过量的磷酸锆发生团聚影响分散效果，另外过量的聚酰胺改变了体系的特性，无法发挥出聚丙烯较好的静电驻极特性。磷酸锆与聚酰胺用量过少时，对驻极效果的协同作用较弱，数据上表现出阻力相当时，PFE低，同时抗红黄变效果差。实施例2、6、7、8、9发现，聚酰胺中偶数个亚甲基比奇数个亚甲基老化后PFE保留率高；且Δa和Δb值越小，材料红黄变程度越低。
实施例2、5和2、12这两组发现，磷酸锆和脂肪族聚酰胺，不同融指的熔喷料和不同的驻极母粒都具有协同效果。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种熔喷聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：聚丙烯熔喷料80-93份、脂肪族聚酰胺3-12份、磷酸锆1-5份、驻极母粒3-5份。
2.如权利要求1所述的熔喷聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：聚丙烯熔喷料85-89份、脂肪族聚酰胺5-8份、磷酸锆3-4份、驻极母粒3-5份。
3.如权利要求1或2所述的熔喷聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯熔喷料的熔融指数为1200-1500g/10min，所述聚丙烯熔喷料的熔融指数是根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在190℃的温度测量。
4.如权利要求1所述的熔喷聚丙烯复合材料，其特征在于，所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为n，n为偶数且n≠0。
5.如权利要求4所述的熔喷聚丙烯复合材料，其特征在于，所述脂肪族聚酰胺的亚甲基单体的个数为10-16；优选地，所述脂肪族聚酰胺为PA11、PA612中的至少一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的熔喷聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配比称量各种组分；
(2)将步骤(1)中的各个组分混合，得到混合物A；
(3)将步骤(2)中得到的混合物A输送到螺杆挤出机中，进行挤出造粒，得到所述熔喷聚丙烯复合材料。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的熔喷聚丙烯复合材料在空气过滤领域中的应用。
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